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1、第六章第六章挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力江苏大学土木系江苏大学土木系 苗永红苗永红注册土木工程师注册土木工程师6.1 概述概述6.2 静止土压力计算静止土压力计算6.3 朗肯朗肯(Rankine)土压力理论土压力理论6.4 库仑库仑(Coulomb)土压力理论土压力理论6.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较6.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算本章目录本章目录6.16.1 概述概述挡土结构物挡土结构物(挡土墙挡土墙) 用来支撑天然或人工斜坡不用来支撑天然或人工斜坡不致坍塌以保持土体稳定性，或使致坍塌以保持土体稳定性，或使部分侧向荷载传递分散到填土上部分侧
2、向荷载传递分散到填土上的一种结构物。的一种结构物。挡土结构物上的土压力挡土结构物上的土压力 由于土体自重、土上荷载或由于土体自重、土上荷载或结构物的侧向挤压作用，挡土结结构物的侧向挤压作用，挡土结构物所承受的来自墙后填土的侧构物所承受的来自墙后填土的侧向压力。向压力。6.16.1 概述概述挡土墙的几种类型挡土墙的几种类型E地下室地下室地下室侧墙地下室侧墙E填土填土重力式挡土墙重力式挡土墙E桥面桥面拱桥桥台拱桥桥台粮食仓库粮食仓库味精瓶味精瓶苹果箱苹果箱6.16.1 概述概述刚性挡土墙刚性挡土墙本身变形极小，只能发生整体位移本身变形极小，只能发生整体位移 重力式重力式悬臂式悬臂式扶壁式扶壁式 锚
3、拉式锚拉式（锚碇式）（锚碇式）6.16.1 概述概述刚性挡土墙的位移及土压力分布刚性挡土墙的位移及土压力分布6.16.1 概述概述柔性挡土墙柔性挡土墙本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂锚杆锚杆板桩板桩板桩板桩变形变形板桩板桩上土压力上土压力 实测实测 计算计算6.16.1 概述概述临时支撑系统的位移及土压力分布临时支撑系统的位移及土压力分布临时支撑临时支撑土压力分布受施工过程和变位条件的影响土压力分布受施工过程和变位条件的影响6.16.1 概述概述刚性挡土墙刚性挡土墙土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算大都以
4、刚性墙为依据大都以刚性墙为依据本章要讨论的中心问题本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点括土压力的大小、方向、分布及合力作用点6.16.1 概述概述墙体位移与土压力类型墙体位移与土压力类型6.16.1 概述概述墙体位移与土压力类型墙体位移与土压力类型E静止土压力静止土压力 E0主动土压力主动土压力 Ea被动土压力被动土压力 Ep6.16.1 概述概述土压力的类型土压力的类型静止土压力静止土压力 E0：坚硬地基上，断面较大坚硬地基上，断面较大主动土压力主动土压力 Ea：一般挡土墙一般挡土墙被动土压
5、力被动土压力 Ep: 桥台桥台挡土墙所受土压力挡土墙所受土压力的大小并不是一个的大小并不是一个常数，而是随位移常数，而是随位移量的变化而变化。量的变化而变化。E桥面桥面拱桥桥台拱桥桥台6.26.2 静止土压力计算静止土压力计算静止土压力静止土压力墙体不发生任何位移墙体不发生任何位移 = 0相当于天然地基土的应力相当于天然地基土的应力状态（侧限状态）状态（侧限状态） k0 应力状态应力状态嵌岩的挡土墙嵌岩的挡土墙地下室地下室6.26.2 静止土压力计算静止土压力计算 v v hp0=shzK0: 静止土压力系静止土压力系数数 对于侧限应力状态，理论上：对于侧限应力状态，理论上：K K0 0=n/
6、(-n)=n/(-n) 对于砂土、正常固结粘土对于砂土、正常固结粘土由于土的由于土的 n n 很难确定，很难确定，K K0 0 常用经验公式计常用经验公式计算算6.26.2 静止土压力计算静止土压力计算 v v hp0=shz极限平衡状态：极限平衡状态： f 6.26.2 静止土压力计算静止土压力计算静止土压力计算静止土压力计算HzE0总静止土压力总静止土压力6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论1 朗肯极限平衡应力状态朗肯极限平衡应力状态 自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况。弹性平衡状态发展为极限平衡状态的
7、情况。 3f v= z K0 v主动极限平衡应力状态主动极限平衡应力状态 1 345 +f f/2 1f v= z K0 v被动极限平衡应力状态被动极限平衡应力状态6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论 1 3 3 145 -f f/26.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论2 朗肯土压力计算朗肯土压力计算假定：假定： 墙背垂直光滑，填土表面水平墙背垂直光滑，填土表面水平H v h于是：于是： v、 h为主应力为主应力，且，且 v= zz6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算填土为填土为无粘性土（砂土）无粘性土（砂土） 145 +f f/2竖向应力
8、为大主应力竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力水平向应力为小主应力无粘性土的极限平衡条件无粘性土的极限平衡条件z于是：于是：主动土压力强度主动土压力强度pa= 3f v= z K0 v pa= 36.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算填土为填土为无粘性土（砂土）无粘性土（砂土） 145 +f f/2 pa= 3z主动土压力强度主动土压力强度朗肯主动土压力系数朗肯主动土压力系数总主动土压力总主动土压力6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算填土为填土为粘性土粘性土竖向应力为大主应力竖向应力为大主应力水平向应力为小主应
9、力水平向应力为小主应力粘性土的极限平衡条件粘性土的极限平衡条件于是：于是：主动土压力强度主动土压力强度pa= 3f v= z K0 v 6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算填土为填土为粘性土粘性土主动土压力强度主动土压力强度朗肯主动土压力系数朗肯主动土压力系数负号负号45 +f f/2z0z0zz0 zz0 6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯主动土压力计算朗肯主动土压力计算填土为填土为粘性土粘性土HEa总主动土压力总主动土压力z06.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯朗肯被动土压力被动土压力计算计算填土为填土为无粘性土（砂土）无粘性
10、土（砂土）竖向应力为小主应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力45 -f f/2无粘性土的极限平衡条件无粘性土的极限平衡条件于是：于是：被动土压力强度被动土压力强度pp= 1f v= z K0 v pp= 1 3z6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯朗肯被动土压力被动土压力计算计算填土为填土为无粘性土（砂土）无粘性土（砂土）45 -f f/2 pp= 1 3z被动土压力强度被动土压力强度朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数总被动土压力总被动土压力6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯朗肯被动土压力被动土压力计算计算填土为填土为粘性土粘性土竖向应力为小主
11、应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力粘性土的极限平衡条件粘性土的极限平衡条件于是：于是：被动土压力强度被动土压力强度pp= 1f v= z K0 v 6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯朗肯被动土压力被动土压力计算计算填土为填土为粘性土粘性土被动土压力强度被动土压力强度朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数正号正号EpH总总被动土压力被动土压力6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论小结：朗肯土压力理论墙背垂直光滑墙背垂直光滑主动和被动主动和被动极限平衡条件极限平衡条件砂土和粘性土砂土和粘性土 1f v= z K0 v 1 345 -f
12、f/245 +f f/2 3f 1 36.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论粘性土的主动土压力粘性土的主动土压力HEa不支护直立开不支护直立开挖的最大深度挖的最大深度z06.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论主动土压力系数主动土压力系数被动土压力系数被动土压力系数静止土压力系数静止土压力系数6.36.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论总土压力总土压力：单位长度挡土墙上土压力单位长度挡土墙上土压力单位：单位：kN/mkN/m，大小、方向、作用点大小、方向、作用点土压力强度土压力强度：单位面积上的土压力单位面积上的土压力单位：单位：kN/mkN/m2 2几个概念几个概念每延米每延米Ep6.3
13、6.3 朗肯土压力理论朗肯土压力理论应用应用HL板桩板桩6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论墙背倾斜、粗糙、填土倾斜时？库仑土压力理论库仑库仑C. A. Coulomb(1736-1806)墙背倾斜，具有倾角墙背倾斜，具有倾角 墙背粗糙，与填土摩擦角为墙背粗糙，与填土摩擦角为 填土表面有倾角填土表面有倾角 出发点：6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论平面滑裂面假设：平面滑裂面假设：滑裂面为平面滑裂面为平面假设条件： 刚体滑动假设：刚体滑动假设：破坏土楔为刚体，破坏土楔为刚体，滑动楔体整体处于极限平衡状态滑动楔体整体处于极限平衡状态 ACH B无粘性土的主动土压力无粘性土的主动土压力
14、W ER WRE - =90 - - 、E6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论 EEa库仑主动土压力系数库仑主动土压力系数Ea特例：特例： = = =0，即墙背垂直光滑，填土表面水平时，与朗肯理论等价，即墙背垂直光滑，填土表面水平时，与朗肯理论等价 土压力分布：土压力分布：三角形分布三角形分布ABC H无粘性土的被动土压力无粘性土的被动土压力WRE + =90 + - 、E6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论W ER 6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论 EEp库仑被动土压力系数库仑被动土压力系数土压力分布：土压力分布：三角形分布三角
15、形分布图解法图解法当当 填土表面不是平面时填土表面不是平面时6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论库尔曼（库尔曼（Culmann）图解法图解法6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论W W方向方向E Ea a方向方向 =90 - - 粘性填土的土压力粘性填土的土压力6.46.4 库仑土压力理论库仑土压力理论W中包括BCDE6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较1 分析方法分析方法 E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论土体内各点均处于极限土体内各点均处于极限平衡状态：平衡状态：极限应力法极限应力法刚性楔体，滑面上处于刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态：极限平衡状态：滑动楔滑动楔
16、体法体法先求土压力强度先求土压力强度p p先求总土压力先求总土压力E E极限平衡状态极限平衡状态2 应用条件应用条件 E6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论 墙背光滑竖直墙背光滑竖直 填土水平填土水平 墙背、填土无限制墙背、填土无限制 粘性土一般用图解法粘性土一般用图解法 坦墙坦墙 坦墙坦墙 墙背垂直，填土倾斜墙背垂直，填土倾斜3 计算误差计算误差6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较朗肯土压力理论朗肯土压力理论 WREaEa实际实际0WREpEp 主动土压主动土压力力 偏大偏大 被动土压被动土压力力 偏小偏小3 计算误差计算误
17、差6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较库仑土压力理论库仑土压力理论 实际滑裂面不一定是平面实际滑裂面不一定是平面 主动土压力主动土压力 偏小偏小 被动土压力被动土压力 偏偏大大滑动面滑动面滑动面滑动面主动土压力搜索得到主动土压力搜索得到的不一定是最大值的不一定是最大值被动土压力搜索得到被动土压力搜索得到的不一定是最小值的不一定是最小值计算误差计算误差6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较与精确解的比较与精确解的比较 主动土压力系数主动土压力系数 Ka ( = =0) =0 = /2 = 20 40 20 40 20 40 Sokolovsky(精确精确解解)0
18、.490.220.450.200.440.22Rankine0.490.217 0.490.2170.490.217Conlomb0.490.220.450.200.430.21计算误差计算误差6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较与精确解的比较与精确解的比较 被动土压力系数被动土压力系数 Kp ( = =0) =0 = /2 = 20 40 20 40 20 40 Sokolovsky(精确精确)2.04 4.602.559.693.0418.2Rankine2.04 4.602.044.602.044.60Conlomb2.04 4.602.6311.83.5292.6计算
19、误差计算误差6.56.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较结论结论 如果如果 =0，滑裂面是直线，三种理论计算，滑裂面是直线，三种理论计算Ka, Kp相同相同如果如果 0 Ka 朗肯偏大朗肯偏大10%左右，工程偏安全左右，工程偏安全库仑偏小一些（可忽略库仑偏小一些（可忽略)； Kp朗肯偏小可达几倍；朗肯偏小可达几倍；库仑偏大可达几倍库仑偏大可达几倍;在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。在实际工程问题中，土压力计算是比较复杂的。工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大工程中使用被动土压力较少。因为所需相对位移太大6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算1
20、. 1. 填土上有荷载填土上有荷载2. 2. 成层填土情况成层填土情况3. 3. 填土中有水填土中有水4. 4. 坦墙坦墙5. 5. 墙背形状有变化墙背形状有变化6. 6. 墙后填土受限制墙后填土受限制7. 7. 地震情况下的动土压力地震情况下的动土压力8. 8. 加筋挡土墙加筋挡土墙6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算1 填土上有荷载填土上有荷载 145 +f f/2pa= 3f v= z+q K0 vz pa= 3q朗肯土压力理论朗肯土压力理论6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算1 填土上有荷载填土上有荷载库仑土压力理论库仑土压力理论6.
21、66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算局部荷载局部荷载朗肯理论朗肯理论 6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算局部荷载局部荷载库仑理论库仑理论 WERqWREaEaQ6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算2 成层填土情况成层填土情况 1 f f1 c1 2 f f2 c2H1H2f f2 f f16.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算c1= c2=0 时时 2 f f2 H1H2 1 f f1 f f1 = f f2 时时 2 1 2 0 c1 0 c2 = 06.66.6 几种常见的主动土压力计算几种
22、常见的主动土压力计算c1、 c2不为不为0 时时 2 f f2 H1H2 1 f f1 1 = 2 f f2 = f f1 时时H1H26.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算3 填土中有水填土中有水水下部分用浮容重水下部分用浮容重土压力土压力土压力土压力 水压力水压力静水情况静水情况水压力水压力 H26.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算墙背倾斜时墙背倾斜时 E静水情况静水情况Ea 6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算H1H2 透水地基透水地基孔压孔压 u=0土压力土压力 竖向应力竖向应力 6.66.6 几种常见的主动土
23、压力计算几种常见的主动土压力计算H1H2 一般地基一般地基需通过绘制流网等二维渗流分析确定孔压需通过绘制流网等二维渗流分析确定孔压6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算4 坦墙坦墙 cr=45o- /2(1) (1) 垂直于假设墙面垂直于假设墙面CDCD上主动土压力上主动土压力 E a=1/2Ka H2 (2) (2) 作用在真实墙面作用在真实墙面ACAC上的土压力上的土压力WEaEa第一滑裂面第一滑裂面第二滑裂面第二滑裂面 时时WEa6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算crEaW6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算R
24、 EaacrBB填土表面倾斜填土表面倾斜aCA库仑土压力理论：库仑土压力理论：(1) 求解假设墙面求解假设墙面CB上主动土压力上主动土压力 E a(2) 作用在真实墙面作用在真实墙面AC上的土压力上的土压力 Ea： 根据力三角形确定根据力三角形确定Ea 时时第一滑裂面第一滑裂面第二滑裂面第二滑裂面EaWEa6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算5 墙背形状有变化墙背形状有变化Ea1dEa2+CABDADCB小挡土墙小挡土墙土压力土压力假设完整挡土墙假设完整挡土墙土压力的一部分土压力的一部分带减载平台情况带减载平台情况土压力为土压力为06.66.6 几种常见的主动土压力计
25、算几种常见的主动土压力计算6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算6 墙后填土受限制墙后填土受限制CAB滑裂面滑裂面BC可能的位置可能的位置(1) BC在填土中在填土中(2) BC在老土中在老土中(3) BC在界面上在界面上填土填土老土老土 2 f f2 c2 1 f f1 c16.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算7 地震情况下的动土压力地震情况下的动土压力(1)地震惯性力：地震惯性力：水平地震系数水平地震系数 Kh = ah /g 水平惯性力水平惯性力W Kh 垂直地震系数垂直地震系数 Kv = av /g 垂直惯性力垂直惯性力W Kv拟静力法
26、（物部拟静力法（物部- -冈部公式）冈部公式）(2) 虚拟自重虚拟自重W W =W(1-Kv)Sec 于是于是 = (1-Kv)Sec tg = Kh /(1-Kv)6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算7 地震情况下的动土压力地震情况下的动土压力(3) 整体绕点整体绕点B逆时针旋转逆时针旋转 (4) 用库仑理论得到地震下动土压力用库仑理论得到地震下动土压力 Eae= (1-Kv)/2 H2Kae式中：式中：Kae = f (, a, b, f, d, a, b, f, d) )b b =b b+ a a =a a+ H H =Hcos(a a+ )/cos a a6.
27、66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算8 加筋挡土墙加筋挡土墙HLPaPp外部稳定外部稳定HL内部稳定内部稳定6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算6.66.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算HLHL45 + /20.3H筋材应力计算筋材应力计算筋材长度计算筋材长度计算6.1 概述概述6.2 静止土压力计算静止土压力计算6.3 朗肯朗肯(Rankine)土压力理论土压力理论6.4 库仑库仑(Coulomb)土压力理论土压力理论6.5 两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较6.6 几种常见的主动土压力计算几种常见的主动土压力计算本章
28、小结本章小结 E朗肯理论朗肯理论库仑理论库仑理论土体内各点均处于极限土体内各点均处于极限平衡状态平衡状态刚性楔体，滑面上处于刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态极限平衡状态极限应力法极限应力法先求土压力强度先求土压力强度p p滑动楔体法滑动楔体法先求总土压力先求总土压力E E1. 1. 填土上有荷载填土上有荷载2. 2. 成层填土情况成层填土情况3. 3. 填土中有水填土中有水4. 4. 坦墙坦墙5. 5. 墙背形状有变化墙背形状有变化6. 6. 墙后填土受限制墙后填土受限制7. 7. 地震情况下的动土压力地震情况下的动土压力8. 8. 加筋挡土墙加筋挡土墙E地下室地下室地下室侧墙地下室侧墙E填土填土重力式挡土墙重力式挡土墙E桥面桥面拱桥桥台拱桥桥台各用什么样的土压力？各用什么样的土压力？本章结束
